基于三轴循环的纤维加筋路基土的变形特性

张 悦，孙 磊，沈 露，钱康飞

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

在进行道路工程、边坡工程、堤岸工程以及各类基础工程建设过程当中不可避免的会遇到土体强度和刚度不足需要加固的情况，通常采用水泥、石灰、粉煤灰以及各种生物、化学固化剂等固化物对土体进行固化以提高其强度，但是其脆性较大[1-2]。大量的室内试验及工程实践表明通过在土体中掺入一定比例的纤维可以有效的改善水泥、石灰等固化土体的工程特性，如提高固化土体的强度和韧性，现已发展为一项经济有效且广泛应用的土体改良加固技术[3]。纤维加筋土用于道路工程时往往会受到交通车辆的长期反复作用进而导致路面出现车辙、开裂甚至塌陷，严重影响行车的舒适性和安全性，并产生大量的维护费用[4]。因此，必须考虑交通荷载对纤维加筋土变形的影响。目前，国内外关于纤维加筋土的研究多集中在静力特性(抗拉、抗压以及抗剪等)及其影响因素(纤维掺量、尺寸等)方面并取得了较为丰硕的成果[5-6]。尽管纤维加筋土体的动力特性逐渐受到关注，但是大多研究都关注其在地震作用下的强度特性，对其在交通循环荷载下的变形特性的研究还非常欠缺[7]。鉴于此，利用DSZ-2型动三轴仪研究聚乙烯醇纤维(PVA)加筋石灰土在交通荷载下的变形特性。

1 试验条件

1.1 试验材料及试样制备

试验所用土样取自宿州学府大道改扩建工程现场(见图1a)，实验室测定其比重约为2.67，含水率约28.6%，孔隙比约为0.764，塑性指数约为13.6。在实验室将土体烘干粉碎并过2mm的筛备用，石灰采用施工现场的Ⅲ级石灰(见图1b)，掺量取为5%，加筋材料为聚乙烯醇纤维(见图1c)，掺量取为3%，其性能指标如表1所示。宿州学府大道为城市主干道按照二级公路标准设计，按照最新的公路路基设计规范压实度控制在95%[8]，参照文献[6]中的制样步骤制备直径为39.1mm，高度为80mm的标准土单元体试件用于三轴循环加载试验，所有试样均在标准养护室内养护24h以避免龄期对试验结果的影响。

图1 试验材料

表1 PVA纤维的性能指标

1.2 试验设备及方法

本文试验采用江苏永昌生产的DSZ-2型动三轴仪，如图2所示。围压采用真空泵气压控制，轴向动应力通过电磁控制，该设备可以施加正弦波、半正弦波、三角形波和方波等不同波形，用于模拟地震、交通以及风浪等循环荷载作用。

图2 DSZ-2型动三轴

为模拟路基在遇到暴雨天气由于排水不畅处于雨水浸泡下的恶劣工况，所有试样采用在试验开始之前，首先利用真空饱和缸通过抽真空的方式对试样进行饱和，然后将试件安装到三轴压力室内，需注意在安装过程中要尽可能避免对试样产生扰动，在对试验仪器进行一系列检查和校准之后，进一步通过施加反压对试件进行二次饱和以确保所有试样均处于完全饱和状态，然后保持反压恒定，逐级增大围压让试样在设定的围压下排水固结，最后关闭排水阀门对试件进行循环加载试验。其中加载波形选择半正弦波，加载频率设定为1Hz，除非试样提前破坏(应变大于5%)，所有试样均加载1 000次。具体的试验方案如表2所示。

表2 循环三轴试验方案

2 试验结果分析

如图3所示的土体在循环荷载作用下的轴向应变(εa)随循环加载次数(N)变化的示意图可知，轴向应变可以分解为弹性应变(εe)和累积塑性应变(εp)两部分，其中弹性应变通常以弹性模量(回弹模量)来进行表征并作为路基路面设计的主要参数，然而，随着研究的不断深入，累积塑性应变作为路基沉降的重要组成部分逐渐引起岩土工程专家学者们的关注并为此开展了大量的室内单元体循环加载试验及应变累积模型的构建工作。在累积变形预测模型研究方面比较有代表性的工作当属对数及指数方程等为基本架构的经验模型的提出，为进一步分析众多因素共同影响下土体的累积变形提供了重要的理论基础以及建模思路，并在路基路面设计、建造、服役性能评估以及加固维护等方面发挥重要作用[9]。

图3 循环荷载作用下土体轴向应变发展示意图

图4给出了所有试样循环加载1 000次所测定的轴向累积塑性应变随循环加载次数的变化曲线。从图中可以看出，纤维加筋灰土在单向循环荷载作用下的应变累积发展曲线同一般的饱和土体基本类似，即在经过加载初期的短暂调整之后随着循环次数的增长逐渐累积并趋于稳定。在相同的循环次数下，较大的动应力幅值导致试样产生较大的应变累积。为了便于衡量循环动应力水平的影响，定义参考应力ξ=qampl//2p0，其中p0取标准大气压100kPa。

图4 轴向累积应变随循环次数发展曲线

为更好的描述循环动应力幅值对试样累积塑性应变的影响，选取循环次数N=10、100和1 000时的累积塑性应变值并绘制其与参考应力ξ之间的关系曲线如图5所示。通过回归分析，发现可以用组合方程y=axb+c对图中数据进行拟合，其中a、b、c为与循环次数N有关的拟合参数，拟合结果如图5中虚线所示。可见组合方程可以较好的描述累积应变与循环动应力幅值之间的关系。

图5 累积应变εp与参考应力ξ之间的关系

对于给定的土体而言，循环动应力幅值以及循环加载次数无疑是影响其应变累积的两大关键因素，因此，在构建模型时需要同时将其纳入其中。图6给出了双对数坐标系下试样累积塑性应变与循环加载次数之间的关系，可以看出试样的累积塑性应变在循环加载10次之后近似呈线性增长，可以通过指数方程y=AxB进行描述, 其中，A和B为与动应力幅值相关的拟合参数，可通过回归分析确定如表3所示。

图6 双对数坐不下累积塑性应变随循环次数的变化

表3 循环三轴试验方案

为考虑循环动应力水平对土体应变累积的影响，图7进一步给出了拟合参数A、B与参考应力ξ之间的关系，发现同样可以用组合函数y=axb+c进行描述，结果如图7中虚线所示。通过将回归分析后得到的拟合参数A和B的公式带入指数方程y=AxB可建立一个指数型的可以综合考虑循环动应力以及循环加载次数的纤维加筋灰土应变累积预测经验模型。需要指出的是由于相关模型参数是基于试验结果确定的，因此预测结果与实测结果必然吻合的较好。

图7 参考应力ξ与拟合参数A和B之间的关系

结语

通过三轴循环加载试验探究了PVA纤维加筋石灰土在交通循环荷载作用下的轴向应变累积特性。主要得到以下结论：

(1)纤维加筋石灰土的应变累积与所施加的动应力幅值以及循环加载次数密切相关，且伴随动应力幅值及循环次数的增加而逐级增大；

(2)通过定义参考应力ζ并结合组合函数建立了给定循环次下下纤维加筋石灰土累积塑性应变与ζ之间的关系；

(3)基于10～1 000次循环加载获得的累积塑性应变实测值，结合指数模型和组合函数并通过回归分析建立了纤维加筋石灰土的应变累积预测模型，可以同时考虑循环动应力幅值及循环次数的影响；

(4)由于时间和条件限制本试验并未考虑纤维掺量、纤维长度、石灰掺量以及养护龄期等因素对循环荷载作用下纤维加筋石灰土应变累积的耦合效应，今后将进一步开展相关方面的研究以期揭示纤维加筋石灰土在多种因素综合作用下的应变累积特性，进而为相关工程实践提供一定的理论依据和科学指导。